基于物联网与GIS 的丹江口水库综合管理平台设计

朱文军，时会省，管林杰，任若菡

（1. 河南测绘职业学院，河南 郑州 450015；2. 长江空间信息技术工程有限公司（武汉），湖北 武汉 430010）

丹江口水库是南水北调中线工程水源地，保障水质安全和工程安全运行，是丹江口水库管理的重点工作。目前，丹江口水库库区现有的管理措施仍不能完全满足库区管理的需要，主要体现在以下两个方面：①丹江口水库库区面积大、岸线长，管理对象分布广，库区管理面临人员不足、问题发现时效性不强等现实困难。②现有的各个监测系统获取的信息较为分散，专业性强，缺乏信息的有效整合和统一管理，影响了监测信息的利用效率，水库库区信息管理能力亟须提升[1-2]。

为增强丹江口水库库区日常管理的有效性和问题应对的时效性，打造国内一流的水库库区信息管理能力，本文在分析丹江口水库库区管理现状和管理需求的基础上，利用物联网和GIS 技术，设计并实现了集信息感知监测、数据采集存储、智能分析管理于一体的智慧水库综合管理平台。平台通过强化水库上下游相关内容的实时监测，结合水库工程实际，利用信息技术对各种水库管理问题进行模拟和分析，确定问题的解决对策与管理方式，为水库调度工作提供可靠的数据和信息支持[3-4]。

1 系统总体设计

1.1 平台框架设计

本系统采用四层体系架构，由下至上依次为基础设施层、数据资源层、平台服务层、应用层、用户层，如图1所示。

图1 系统总体架构

1）基础数据层是支撑平台运营的基础设施，由服务器和存储资源池组成，为智慧水库提供计算和数据存储等，可细分为计算与存储、网络及通信、视频监控采集、专业数据采集（水位、流量、水雨情等）。

2）数据资源层为智慧水库应用系统提供数据资源，主要包括基础空间数据库、水库监测数据库、巡查管理数据库和视频监控数据库。

3）平台服务层在数据库管理平台、数据共享交换平台、GIS 平台和云计算平台支撑下，建立统一的服务平台，实现对库区管理多时序空间数据的管理、分析及可视化呈现，为应用层提供数据服务、地理信息服务、框架服务、前端组件服务及运行类服务。

4）业务应用层作为整个平台建设的核心，是支撑库区日常管理和应急管理的数字化、一体化和可视化管理平台，包括一张图展示、水雨情统计分析、安全监测、库区管理、调度管理、视频监控管理、电站管理、移动巡检。

5）用户层的主要用户为水库管理单位、上级管理部门、技术支撑单位和社会公众。其中水库管理人员可利用本系统向上级主管部门推送重点断面水质监测数据及水文水情数据，社会公众可通过微信公众号举报破坏库区生态环境，影响库区水质的活动。

1.2 数据库设计

实现水库智慧管理的基础是数据，通过透彻感知，全方位、全对象、全指标的监测手段，提供水库主要特征指标数据和相关的环境、水文、气象等多种类精细化的数据[5]。结合传统监测手段，基于多波束探测、三维激光扫描、侧扫声呐、浅层剖面仪、倾斜摄影及水下近景摄影测量等多种地形地质探测手段，以及物联网、卫星遥感、无人机、视频监控、智能终端等新技术应用，提升水库安全感知能力、设备状态的感知能力、隐患缺陷管理感知能力、水雨情气象感知能力，实时开展大数据分析[6]。

本文中数据源分析与范围规划的最终目标是涵盖涉及环境相关的所有数据，将分散的、标准不一的数据进行集成整合，实现由数据到信息的转化，提高数据质量，为水库管理、施工管理等工作奠定全面的信息资源体系，为科学决策、有效管理提供信息支持保障。智慧水库信息数据库组成如图2所示。

图2 智慧水库数据库设计

水库信息数据库的数据源分为四类：

1）基础空间数据库：包括基础地理数据（影像、数字线划图、数字高程模型），以及用于存储管理水利设施的三维数据等。

2）水库监测数据库：各水文测站(包括水库、河道)的实时雨情水情，还包括点雨量、区域雨量、时段雨量、降雨时间、雨量分布等要素。

3）巡查管理数据库：即移动巡查数据库，包括巡查计划及巡查记录（轨迹、照片、视频、文字描述及巡查报告等）。

4）视频监控数据库：水库管理视频监控数据。

2 系统主要技术

物联网通过射频识别、传感器以及网络互联等技术，实现对物理世界各种物体的标志、感知、监测、跟踪、控制和管理，在人与物、人与环境以及物与物之间实现高效、智能、和谐的信息交互，最终通过智能决策控制技术实现物理世界与信息世界的融合[6]。将物联网技术引入水库综合管理领域，可以解决水库的实时监测问题，对监测到的数据进行整合、分析，及时发现问题并快速决策，使水库综合管理更加智慧化。

GIS 是在计算机硬、软件系统的支持下，对现实世界各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、表达和应用的技术，是分析、处理和挖掘海量地理数据的通用技术[7]。借助GIS 技术，可以将水库信息和空间信息有机关联，对水库信息进行有效管理和综合分析。

2.1 库区监测技术设计

本文提出一种充分应用卫星遥感、低空遥感及地面移动巡查相结合的天、空、地一体化高精度数据采集、处理、监测手段[8]。库区监测技术路线如图3所示。

图3 库区监测技术路线图

1）以天基卫星遥感所采集的多分辨率、多时相、多波段、多层次遥感影像作为动态监测的主要信息源，进行大范围遥感远程监测，及时监控库区变化趋势[9]。

2）以低空遥感技术开展日常监察工作，并应对由于天气造成的卫星遥感盲区进行缺失数据及突发事件数据应急采集[10]。

3）以地面人员巡查措施来进行周期性巡视及对卫星、无人数据获取的疑似目标进行核查，获取监测对象完整的属性信息。

2.2 基于服务的多源异构数据管理

水库管理过程中涉及的数据来源不一，且结构各不相同，不仅有结构化数据，还具有视频、图片、文档文件等非结构化数据。传统做法是将数据从各自系统抽取过来进行统一存储与管理，再对外提供统一的数据服务[11]。但随着数据量的急剧增加，特别是非结构化数据的增加，多源数据的整合与处理将承担极大的负荷[12]。因此，本文提出一种基于服务的数据整合方式，而不用强行进行数据的物理拷贝与集中，如图4 所示。基于服务的整合方式并不强求真实数据在物理存储上的集中，而是保持各业务系统（例如安全监测系统、视频监测管理平台等）的数据分布现状。将各个系统的数据通过Restful 接口方式进行服务包装，并注册到数据服务总线，并通过数据服务总线提供统一的数据服务，从而实现数据在逻辑层面上的整合。该方式基本解决了非结构化数据整合困难、数据传输压力、数据存储冗余等问题。

图4 数据整合技术架构

2.3 基于物联网的水库实时调度

防汛期间各级水库管理人员以及防汛主管部门，都要投入大量人力与物力进行防汛调度与决策。然而中小型水库在洪水预报和调度方面都极大地依赖于管理人员本身的经验，一定程度上限制着水库调度的优化与防洪效率的提高[13]。本文提出一种基于物联网实时数据的水库调度方案，以辅助水库管理人员作出更科学、高效的调度决策，如图5所示。

图5 水库调度流程图

集成并分析前端物联网设备传回的水位、流量、雨量、视频等信息，结合水库本身的防洪安全与防洪任务，通过平台预设的计算模型，实时模拟出水库的最高水位和出库流量过程[14]。由于本身存在不同的调度方案，借助该模式能够快速地计算不同方案下水库最高水位与泄流过程。再结合上下游水灾害承受能力和损失水平，为水库管理人员与防汛主管部门提供综合最优的调度决策方案，从而为水旱灾害防御提供实时的技术支持。

3 系统功能设计

本系统采用B/S 架构，后端开发采用SSM 框架[7]，前端开发采用vue.js（一套构建用户界面的渐进式框架），地图展示使用openlayer 技术方案，空间数据管理与地图服务发布使用ArcGIS平台。设计并开发了一张图展示、水雨情统计分析、安全监测、调度管理、视频监控管理、移动巡检等功能。

1）一张图展示。本模块借助地理信息技术，将涉及水库管理相关数据（包括水利基础信息、水文气象信息等）进行高效组织，直观、形象、集中展示水库、灌区、电站等工程的特征信息和统计数据，提供方便操作的信息查询、分析、统计等功能，方便水库管理人员快速掌握水库运行的主要信息，便于快速决策和指挥。

2）水雨情统计分析。该模块通过接入前端感知设备（水位计、雨量计）传回的水位、雨量信息，全面并高效地获取水雨情实时信息，并结合图形、表格、专题图等方式直观地掌握数据的历史变化过程，实现中长期水雨情分析，构建洪水预报模型，进一步提供科学的调度方案。

3）安全监测。该模块融合水库管理处内部为水库大坝安全构建的各项安全监测设备，实时掌握大坝安全监测现状和变化过程，对监测数据提供智能化判断，提供智能化数据分析与报告生成功能，实现巡视检查问题上报审批，与移动客户端的巡检应用无缝对接。

4）调度管理。本模块融合气象数据、水雨情数据、河道数据、视频监控等，动态监测各水库闸站是否根据调度指挥或实际水旱灾害防御情况进行调度操作。通过结合洪水预报模型，提供多套有效的防洪调度方案，协助管理单位进行科学调度指挥。

5）视频监控管理。本模块接入水库范围内关键点的视频监控数据，例如背水面及坝脚附近、溢洪道、大坝迎水面及库区等。考虑到现有水库周边网络及信息化基础设施建设情况，采用WIFI/4G 等无线网络数据传输方式[15]。

6）移动巡检。移动巡检是专门为水库现场管理人员巡检定制开发的手机端程序，包括五大功能模块：①移动巡检：通过移动巡视检查，及时上传包括照片、文字等内容的巡检记录；②信息查询：借助图表展示，随时随地查询水库各类监控信息和实时动态信息；③移动办公：实现移动办公管理，及时进行行政审批和文件收发等管理；④应急处置：自动实时推送预警信息及运行简报到指定客户端，为管理调度提供指导依据；⑤实时报警：具备数据超限报警功能，对超限、异常等数据告警。

4 结 语

智慧水库综合管理平台是基于物联网和GIS 技术搭建的服务于水库综合管理的应用平台，通过对系统总体架构、智慧水库数据库分类与存储、库区动态监测方案的设计，在分析丹江口水库库区管理现状和管理需求的基础上，设计并实现了水库一张图、水雨情信息、安全监测、调度管理、视频监控、移动APP等功能，极大地提高了工作人员对水库日常管理、巡检、应急处置的效率，对水库管理信息化有着较高的实际应用价值。